一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，首先運用試驗與模擬結合的方法完成了對標車型下控制臂的載荷提取及性能分析，在結構優化的前期應用拓撲優化手段，大幅減少不必要的材料而迅速給出設計的概念性方案，但所得到的結構輪廓較模糊，形狀不規則不易于加工，有必要對其優化結果進行幾何修整，然而修整后的結構會或多或少地偏離最優結構，所以需要應用形貌優化、尺寸優化、形狀優化、自由形狀優化等手段繼續優化結構細節，以得到最優結果。最后通過對設計前后下控制臂的性能分析比較，證明了運用本設計方法可以高效經濟地完成單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計。
【專利說明】一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于汽車設計領域，特別涉及一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法。

【背景技術】
[0002]下控制臂作為汽車懸架系統的導向和傳力元件，它起著傳遞車架和車輪之間的一切力和力矩，緩和路面沖擊，衰減振動等作用。它是底盤系統的重要安全件，在設計中要求強度高、可靠性好。單板沖壓件下控制臂較鑄造或焊接下控制臂具有質量輕、焊縫少、加工方便等優點，在汽車領域的應用越來越廣泛。有限元性能分析和結構優化設計方法在汽車設計領域的應用已很成熟。


【發明內容】

[0003]本發明旨在提供一種汽車單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，該方法有設計周期短，節約開發成本，可操作性強等特點，為單板沖壓下控制臂輕量化優化設計提供了一種完整的通用的設計流程。
[0004]本發明采用以下方案實現:
[0005]一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，首先進行對標車型下控制臂的載荷提取并通過有限元分析方法對其進行性能分析，然后以對標車各項性能為性能約束指標優化設計出滿足要求的單板沖壓下控制臂，對優化結果進行幾何修整，得到最終設計結果；具體包括以下步驟:
[0006]步驟一、提取對標車下控制臂連接點處的典型工況載荷及疲勞載荷時間歷程；
[0007]步驟二、運用有限元方法分析對標車型下控制臂的振動特性、剛度、強度、疲勞性能，將分析獲得的性能結果作為控制臂后續結構優化設計過程的性能指標約束；
[0008]步驟三、在對標車下控制臂性能指標約束下，在下控制臂設計空間內進行拓撲優化，得到待設計控制臂材料的最優分布形式；
[0009]步驟四、將步驟三的結構優化結果修整成可沖壓加工的結構形狀；
[0010]步驟五、在對標車下控制臂性能指標約束下，綜合應用尺寸優化和形貌優化方法對步驟四所得結構優化設計，以確定控制臂的最佳厚度及最佳加強筋位置形狀，修整結構；
[0011]步驟六、在對標車下控制臂性能指標約束下，綜合應用形狀優化和自由形狀優化方法對步驟五所得結構優化設計，以改善控制臂圓弧處應力分布和確定翻邊的長度，修整結構后進行有限元性能分析，與對標車型下控制臂性能對比，得到最終設計結果；
[0012]一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，所述步驟一的具體過程如下:
[0013]1.1)根據對標車型的懸架性能參數建立其多體動力學模型；
[0014]1.2)將典型工況下的輪胎接地力輸入懸架多體動力學模型，獲得下控制臂連接點處典型工況靜載荷；
[0015]1.3)將對標車實車道路試驗獲得輪心六分力信號輸入懸架多體動力學模型，獲得下控制臂連接點處的疲勞載荷時間歷程。
[0016]一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，所述步驟二的具體過程如下:
[0017]2.1)對對標車幾何模型進行網格劃分，設定材料屬性參數，建立有限元模型；
[0018]2.2)將下控制臂連接點處典型工況靜載荷輸入步驟2.1)所建有限元模型，分析得到對標車下控制臂的剛度、強度；
[0019]2.3)將下控制臂連接點處的疲勞載荷時間歷程輸入步驟2.1)所建有限元模型，分析得到對標車下控制臂的疲勞性能；
[0020]2.4)在步驟2.1)所建有限元模型中設置特征值提取卡片，進行元自由模態分析，得到對標車下控制臂的振動特性；
[0021]2.5)將以上有限元分析獲得的性能結果作為待設計下控制臂的性能指標約束。
[0022]一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，所述步驟三的具體過程如下:
[0023]3.1)在對標車下控制臂不與懸架其他構件發生干涉的區域內，確定待設計下控制臂設計空間后建立有限元模型；
[0024]3.2)對步驟3.1)建立的有限元模型施加工藝約束，在各性能指標的約束下，以質量最輕為目標，以單元密度為設計變量，對下控制臂進行拓撲優化，得到待設計下控制臂材料的最優分布形式。
[0025]一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，所述步驟五的具體過程如下:
[0026]在對標車下控制臂性能指標約束下，以質量最輕為目標，以下控制臂厚度、下控制臂主體形狀擾動為設計變量，綜合應用尺寸優化和形貌優化方法對所述步驟四所得結構優化設計，以確定下控制臂的最佳厚度及最佳加強筋位置形狀，對本步驟優化結果重復所述步驟四操作，修整結構。
[0027]—種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，所述步驟六的具體過程如下:
[0028]在對標車下控制臂性能指標約束下，以質量最輕為目標，以危險部位的弧度變化量、翻邊處形狀變化擾動為設計變量，綜合應用形狀優化和自由形狀優化方法對所述步驟五所得結構優化設計，以改善下控制臂圓弧處應力分布和確定翻邊的長度，對優化結果重復所述步驟四操作后進行有限元性能分析，與對標車型下控制臂性能對比，得到最終設計結果。
[0029]本發明提供了一種試驗與模擬分析結合的單板沖壓下控制臂輕量化優化設計方法，首先運用試驗與模擬結合的方法完成了對標車型下控制臂的載荷提取及性能分析。在結構優化的前期應用拓撲優化手段，大幅減少不必要的材料而迅速給出設計的概念性方案。但所得到的結構輪廓較模糊，形狀不規則不易于加工，有必要對其優化結果進行幾何修整。然而修整后的結構會或多或少地偏離最優結構，所以需要應用形貌優化、尺寸優化、形狀優化、自由形狀優化等手段繼續優化結構細節，以得到最優結果。最后通過對設計前后下控制臂的性能分析比較，證明了運用本設計方法可以高效經濟地完成單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發明單板沖壓下控制臂設計方法流程圖
[0031]圖2為對標車型下控制臂的載荷提取及性能分析流程圖
[0032]圖3為待優化下控制臂設計空間俯視軸測示意圖
[0033]圖4為待優化下控制臂設計空間仰視軸測示意圖
[0034]圖5為下控制臂輕量化優化設計最終結果俯視軸測示意圖
[0035]圖6為下控制臂輕量化優化設計最終結果仰視軸測示意圖

【具體實施方式】
[0036]下面結合具體實施例說明本發明的技術方案。
[0037]如圖1所示為本發明的整體流程圖，一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，首先進行對標車型下控制臂的載荷提取并通過有限元分析方法對其進行性能分析，如圖2所示；然后以對標車各項性能為性能約束指標優化設計出滿足要求的單板沖壓下控制臂，對優化結果進行幾何修整，得到最終設計結果。
[0038]本實施例單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法的具體步驟如下:
[0039]步驟一、得到對標車下控制臂連接點處的典型工況載荷及疲勞載荷時間歷程:
[0040]1.1)根據對標車型的懸架性能參數，運用八也咖軟件建立其多體動力學模型；
[0041]1.2)根據動載系數經驗值計算出對標車型在前進加速、前進制動、倒車制動、穩態左轉、穩態右轉工況下的輪胎接地力，將接地力輸入懸架多體動力學模型，提取對標車型下控制臂3個連接點處典型工況靜載荷；
[0042]1.3)將對標車實車道路試驗獲得輪心六分力信號輸入懸架多體動力學模型，提取對標車型下控制臂3個連接點處的疲勞載荷時間歷程。
[0043]步驟二、運用有限元方法分析對標車型下控制臂的振動特性、剛度、強度、疲勞性能，將分析獲得的性能結果作為下控制臂后續結構優化設計過程的性能指標約束:
[0044]2.1)在軟件中用一階20單元對對標車型下控制臂幾何模型進行網格劃分，用剛性單元即22 (剛性連接單元)模擬球鉸和襯套處的連接，設定其密度、彈性模量、泊松比及厚度等參數，建立有限元模型；
[0045]2.2)將下控制臂連接點處典型工況靜載荷作為載荷邊界條件輸入步驟2.1)所建有限元模型，運用慣性釋放原理，利用1^(11088求解器得到對標車下控制臂的剛度、強度；
[0046]2.3)下控制臂接觸點處的疲勞載荷時間歷程輸入步驟2.1)所建有限元模型，運用取?6!'郵也軟件(網格劃分軟件)的？社1即6 1)1-00688功能(疲勞分析模塊)建立疲勞分析工況，利用1^(11088求解器(有限元分析求解器)分析得到對標車下控制臂的各點處的疲勞壽命及疲勞損傷值；
[0047]2.4)在步驟2.1)所建有限元模型中設置特征值提取卡片，進行元自由模態分析，得到對標車下控制臂的前6階彈性體模態的振型及固有頻率；
[0048]2.5)將以上有限元分析獲得的性能結果作為待設計下控制臂的性能指標約束。
[0049]步驟三、在對標車下控制臂性能指標約束下，在下控制臂設計空間(如圖3、圖4所示)內進行拓撲優化，得到待設計控制臂材料的最優分布形式:
[0050]3.1)用六面體實體單元對對標車型下控制臂不與懸架其他構件發生干涉的空間建立有限元模型。其中襯套、球鉸區域作為非設計空間，并保持其硬點坐標不變，除此之外的區域作為設計空間；
[0051]3.2)在軟件中對步驟3.1)建立的有限元模型施加向下拔模的工藝約束，利用結構優化求解器0的有限元結構優化求解器)在剛度、強度、疲勞性能、振動性能約束下，以質量最輕為目標，以單元密度為設計變量，對下控制臂進行拓撲優化，得到待設計下控制臂材料的最優分布形式。
[0052]步驟四、將步驟三的結構優化結果修整成可沖壓加工的結構形狀:
[0053]運用0^匕軟件將步驟三的優化結果簡化修整成規則且可沖壓加工的結構形狀；
[0054]步驟五、在對標車下控制臂性能指標約束下，綜合應用尺寸優化和形貌優化方法對步驟四所得結構優化設計，以確定控制臂的最佳厚度及最佳加強筋位置形狀，修整結構:
[0055]在對標車下控制臂性能指標約束下，利用結構優化求解器在剛度、強度、疲勞性能、振動性能約束下，以質量最輕為目標，以下控制臂厚度、下控制臂主體形狀擾動為設計變量，綜合應用尺寸優化和形貌優化方法對步驟四所得結構優化設計，以確定下控制臂的最佳厚度及最佳加強筋位置形狀，對本步驟優化結果重復所述步驟四的操作，修整結構。
[0056]步驟六、在對標車下控制臂性能指標約束下，綜合應用形狀優化和自由形狀優化方法對步驟五所得結構優化設計，以改善控制臂圓弧處應力分布和確定翻邊的長度，修整結構后進行有限元性能分析，與對標車型下控制臂性能對比，得到最終設計結果:
[0057]在對標車下控制臂性能指標約束下,利用結構優化求解器在剛度、強度、疲勞性能、振動性能約束下，以質量最輕為目標，以危險部位的弧度變化量、翻邊處形狀變化擾動為設計變量，綜合應用形狀優化和自由形狀優化方法對所述步驟五所得結構優化設計，以改善下控制臂圓弧處應力分布和確定翻邊的長度，對本步驟優化結果重復所述步驟四操作后進行有限元性能分析，與對標車型下控制臂性能對比，得到最終設計結果(如圖5、圖6所示)。
[0058]本設計方法不局限于一種車型沖壓下控制臂的輕量化優化設計，也不是簡單地在對標車型下控制臂基礎上基于經驗的簡單修改。而是充分考慮了設計空間、使用性能、加工工藝等要求，針對沖壓下控制臂的完整的通用的輕量化優化設計方法。
【權利要求】
1.一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，其特征在于，首先進行對標車型下控制臂的載荷提取并通過有限元分析方法對其進行性能分析，然后以對標車各項性能為性能約束指標優化設計出滿足要求的單板沖壓下控制臂，對優化結果進行幾何修整，得到最終設計結果；具體包括以下步驟: 步驟一、提取對標車下控制臂連接點處的典型工況載荷及疲勞載荷時間歷程； 步驟二、運用有限元方法分析對標車型下控制臂的振動特性、剛度、強度、疲勞性能，將分析獲得的性能結果作為控制臂后續結構優化設計過程的性能指標約束； 步驟三、在對標車下控制臂性能指標約束下，在下控制臂設計空間內進行拓撲優化，得到待設計控制臂材料的最優分布形式； 步驟四、將步驟三的結構優化結果修整成可沖壓加工的結構形狀； 步驟五、在對標車下控制臂性能指標約束下，綜合應用尺寸優化和形貌優化方法對步驟四所得結構優化設計，以確定控制臂的最佳厚度及最佳加強筋位置形狀，修整結構；步驟六、在對標車下控制臂性能指標約束下，綜合應用形狀優化和自由形狀優化方法對步驟五所得結構優化設計，以改善控制臂圓弧處應力分布和確定翻邊的長度，修整結構后進行有限元性能分析，與對標車型下控制臂性能對比，得到最終設計結果。
2.按照權利要求1所述的一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，其特征在于，所述步驟一的具體過程如下: 1.1)根據對標車型的懸架性能參數建立其多體動力學模型； 1.2)將典型工況下的輪胎接地力輸入懸架多體動力學模型，獲得下控制臂連接點處典型工況靜載荷； 1.3)將對標車實車道路試驗獲得輪心六分力信號輸入懸架多體動力學模型，獲得下控制臂連接點處的疲勞載荷時間歷程。
3.按照權利要求1所述的一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，其特征在于，所述步驟二的具體過程如下: 2.1)對對標車幾何模型進行網格劃分，設定材料屬性參數，建立有限元模型； 2.2)將下控制臂連接點處典型工況靜載荷輸入步驟2.1)所建有限元模型，分析得到對標車下控制臂的剛度、強度； 2.3)將下控制臂連接點處的疲勞載荷時間歷程輸入步驟2.1)所建有限元模型，分析得到對標車下控制臂的疲勞性能； 2.4)在步驟2.1)所建有限元模型中設置特征值提取卡片，進行元自由模態分析，得到對標車下控制臂的振動特性； 2.5)將以上有限元分析獲得的性能結果作為待設計下控制臂的性能指標約束。
4.按照權利要求1所述的一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，其特征在于，所述步驟三的具體過程如下: 3.1)在對標車下控制臂不與懸架其他構件發生干涉的區域內，確定待設計下控制臂設計空間后建立有限元模型； 3.2)對步驟3.1)建立的有限元模型施加工藝約束，在各性能指標的約束下，以質量最輕為目標，以單元密度為設計變量，對下控制臂進行拓撲優化，得到待設計下控制臂材料的最優分布形式。
5.按照權利要求1所述的一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，其特征在于，所述步驟五的具體過程如下: 在對標車下控制臂性能指標約束下，以質量最輕為目標，以下控制臂厚度、下控制臂主體形狀擾動為設計變量，綜合應用尺寸優化和形貌優化方法對所述步驟四所得結構優化設計，以確定下控制臂的最佳厚度及最佳加強筋位置形狀，對本步驟優化結果重復所述步驟四操作，修整結構。
6.按照權利要求1所述的一種單板沖壓下控制臂的輕量化優化設計方法，其特征在于，所述步驟六的具體過程如下: 在對標車下控制臂性能指標約束下，以質量最輕為目標，以危險部位的弧度變化量、翻邊處形狀變化擾動為設計變量，綜合應用形狀優化和自由形狀優化方法對所述步驟五所得結構優化設計，以改善下控制臂圓弧處應力分布和確定翻邊的長度，對優化結果重復所述步驟四操作后進行有限元性能分析，與對標車型下控制臂性能對比，得到最終設計結果。
【文檔編號】G06F17/50GK104462725SQ201410829457
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】陳靜, 黃河, 王登峰, 陳書明, 王倩, 陶興龍, 周沖 申請人:吉林大學